CN117826378A - 光学镜头、光学指纹模组和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学镜头、光学指纹模组和电子设备，光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，其物侧面在近光轴处为凹面、像侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凹面；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凸面。本发明提供的光学镜头、光学指纹模组和电子设备，其中光学镜头采用三片具有光焦度的镜片，通过特定的表面形状搭配和合理的光焦度分配，使该光学镜头的结构更加紧凑的同时拥有大视场角、小畸变、小体积的特点，能够更好的应用于光学指纹模组及指纹识别电子设备，满足便携式电子产品的发展趋势。

Description

光学镜头、光学指纹模组和电子设备

技术领域

本发明涉及成像镜头技术领域，特别是涉及一种光学镜头、光学指纹模组和电子设备。

背景技术

随着智能手机的不断升级换代，消费者对手机等便携电子设备要求越来越高，超薄化、全面屏、超高清成像成为手机镜头的主要发展趋势。随着全面屏概念的流行，目前主流手机镜头开始广泛使用光学式屏下指纹识别系统，其具有体积小、总长短的优势。与此同时，对用于屏下指纹识别中的光学镜头的性能要求也越来越高。

在现有屏下指纹识别系统技术中，所使用的光学镜头存在成像质量差、畸变大以及与整机堆叠产生的兼容性差的问题，导致指纹识别成功率偏低，用户使用体验感不佳。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种光学镜头、光学指纹模组和电子设备，用以至少解决上述现有技术问题之一。

为实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种光学镜头，沿光轴从物侧到成像面依次包括：具有负光焦度的第一透镜，其物侧面在近光轴处为凹面、物侧面为凹面；光阑；具有正光焦度的第二透镜，其物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凹面；具有正光焦度的第三透镜，其物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凸面；其中，所述第二透镜的有效焦距f2、所述第三透镜的有效焦距f3与所述光学镜头的有效焦距f满足：450＜(f2+f3)/f＜550。

第二方面，包括图像传感器以及第一方面提供的光学镜头，所述图像传感器位于所述光学镜头的成像面处。

第三方面，包括屏幕以及第二方面提供的光学指纹模组，所述屏幕位于所述光学指纹模组的光学镜头的物侧。

相较于现有技术，本发明提供的光学镜头、光学指纹模组和电子设备，其中光学镜头采用三片具有光焦度的镜片，通过特定的表面形状搭配和合理的光焦度分配，使该光学镜头的结构更加紧凑的同时拥有大视场角、小畸变、小体积的特点，能够更好的应用于光学指纹模组及指纹识别电子设备，满足便携式电子产品的发展趋势。

附图说明

图1为本发明第一实施例的光学镜头的结构示意图。

图2为本发明第一实施例的光学镜头的场曲曲线图。

图3为本发明第一实施例的光学镜头的光学畸变曲线图。

图4为本发明第一实施例的光学镜头的轴向像差曲线图。

图5 为本发明第二实施例的光学镜头的结构示意图。

图6 为本发明第二实施例的光学镜头的场曲曲线图。

图7 为本发明第二实施例的光学镜头的光学畸变曲线图。

图8 为本发明第二实施例的光学镜头的轴向像差曲线图。

图9 为本发明第三实施例的光学镜头的结构示意图。

图10 为本发明第三实施例的光学镜头的场曲曲线图。

图11 为本发明第三实施例的光学镜头的光学畸变曲线图。

图12 为本发明第三实施例的光学镜头的轴向像差曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。附图中给出了本发明的若干实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。

应注意，在本说明书中，第一、第二、第三等的表述仅用于将一个特征与另一个特征区分开来，而不表示对特征的任何限制。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下文中讨论的第一透镜也可被称作第二透镜或第三透镜。

在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了透镜的厚度、尺寸和形状。具体来讲，附图中所示的非球面的形状通过示例的方式示出。即，非球面的形状不限于附图中示出的非球面的形状。附图仅为示例而并非严格按比例绘制。

在本文中，近轴区域是指光轴附近的区域。若透镜表面为凸面且未界定该凸面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凸面；若透镜表面为凹面且未界定该凹面位置时，则表示该透镜表面至少于近轴区域为凹面。每个透镜最靠近被摄物体的表面称为该透镜的物侧面，每个透镜最靠近成像面的表面称为该透镜的像侧面。

还应理解的是，用语“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所陈述的特征、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其它特征、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“...中的至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修饰列表中的单独元件。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。并且，用语“示例性的”旨在指代示例或举例说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明实施例一方面提出了一种光学镜头，该光学镜头的物侧设置有屏幕、成像面处设置有图像传感器，由此可将该光学镜头应用于需要具有指纹识别功能的电子设备，即当目标指纹接触于屏幕中靠近光学镜头的识别范围时，光源发射光线至屏幕并由目标指纹反射，反射后的光线就可以被光学镜头接收，并在图像传感器上进行成像，从而实现目标指纹的采集和识别。

进一步，本发明实施例提供的光学镜头沿光轴从物侧到成像面依次包括：第一透镜、光阑、第二透镜、第三透镜以及滤光片，且各个透镜的光学中心位于同一直线上。

其中，第一透镜具有负光焦度，其物侧面在近光轴处为凹面、像侧面为凹面；第二透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凹面；第三透镜具有正光焦度，其物侧面为凸面、像侧面在近光轴处为凸面。

在一些实施方式中，光阑可设置在第一透镜和第二透镜之间，用以收束第一透镜出射光线的范围，降低光学镜头的后端口径。

在一些实施方式中，光学镜头的光圈值FNO满足：Fno≤1.60。满足上述条件式，有利于实现大光圈特性，在弱光环境或夜晚时，也能保证图像的清晰。

在一些实施方式中，光学镜头的最大半视场角θ满足：50°＜θ＜70°。满足上述条件式，有利于实现广角特性，从而能够获取更多的场景信息，满足大范围指纹识别的需求。

在一些实施方式中，第二透镜的有效焦距f2、第三透镜的有效焦距f3与光学镜头的有效焦距f满足：450＜(f2+f3)/f＜550。满足上述条件式，可以合理控制第二透镜和第三透镜的焦距占比，有利于矫正光学镜头中心视场的球差，提高光学镜头的成像质量。

在一些实施方式中，光学镜头最大半视场角对应的像高IH与光学镜头最大半像高对应的物高OH满足：6.0＜OH/IH＜6.3。满足上述条件式，可以合理控制物高与像高的关系，有利于获得较大的视场角和识别范围。

在一些实施方式中，光学镜头最大半视场角对应的像高IH与光学镜头的有效焦距f满足：1.7＜IH/f＜1.85；光学镜头的光学总长TTL与光学镜头的有效焦距f满足：4.0＜TTL/f＜5.5。满足上述条件式，在保证光学镜头具有合适的视场角和成像范围的同时，可以合理控制光学镜头的尺寸，保证实现小型化、大视场与高品质成像的均衡，从而能够更好地适应指纹识别电子设备的装配需求。

在一些实施方式中，第一透镜的有效焦距f1与第三透镜的有效焦距f3满足：-1.5＜f1/f3＜-0.5；-0.2＜f1+f3＜0。满足上述条件式，可以合理分配第一透镜和第三透镜的光焦度，保证第一透镜（负透镜）产生的正球差与第三透镜（正透镜）产生的负球差得到平衡，降低畸变的矫正难度，提升光学镜头的成像质量。

在一些实施方式中，第一透镜的有效焦距f1与光学镜头的有效焦距f满足：-1.5＜f1/f＜-0.5；第一透镜的物侧面的曲率半径R1与第一透镜的像侧面的曲率半径R2满足：0.5＜(R1+R2)/(R1-R2)＜1.5。满足上述条件式，可以合理控制第一透镜的焦距和面型，有利于减小光线进入光阑时的入射角，增大光学镜头的视场角和物高，从而有利于增大光学镜头的识别范围。

在一些实施方式中，所述第二透镜的有效焦距f2与所述光学镜头的有效焦距f满足：450＜f2/f＜550；第二透镜的物侧面的曲率半径R3与第二透镜的像侧面的曲率半径R4满足：0.5＜R3/R4＜1.5。满足上述条件式，可以合理控制第二透镜的焦距和面型，有利于光线平缓过渡，降低光学镜头的敏感性，并有利于调控光学镜头的视场角，减小边缘视场的场曲和畸变，提升光学镜头的成像质量。

在一些实施方式中，第一透镜的中心厚度CT1、第二透镜的中心厚度CT2、第三透镜的中心厚度CT3与光学镜头的有效焦距f满足：2.7＜(CT1+CT2+CT3)/f＜3.2。满足上述条件式，可以合理控制第一透镜、第二透镜及第三透镜的中心厚度，有利于光学镜头各部件的组装，以及使各透镜的分布更加紧凑，从而能够减小光学镜头的总长，实现光学镜头的小型化。

在一些实施方式中，第一透镜的中心厚度CT1与第一透镜和第二透镜之间在光轴上的空气间隙CT12满足：1.8＜CT1/CT12＜3.2。满足上述条件式，可以合理分配第一透镜中心厚度和第一透镜与第二透镜之间间隔的关系，有利于减小光学镜头的总长，实现光学镜头的小型化。

在一些实施方式中，光学镜头的光学后焦BFL与光学镜头的光学总长TTL满足：0.3＜BFL/TTL＜0.5。满足上述条件式，可以合理控制光学镜头的光学后焦，有利于有效缩短光学镜头的总长和体积，实现光学镜头的小型化。

在一些实施方式中，第一透镜的像侧面的曲率半径R2与第二透镜的像侧面的曲率半径R4满足：0＜R2/R4＜0.5；第二透镜的物侧面的曲率半径R3与第三透镜的物侧面的曲率半径R5满足：4.0＜R3/R5＜5.0。满足上述条件式，可以有效控制第一透镜和第二透镜的像侧面形状以及有效控制第二透镜和第三透镜的物侧面的形状，有利于平衡光学镜头的场曲、减小像差，进一步提高光学镜头的成像质量。

在一些实施方式中，屏幕与第一透镜之间的空气间隙AT01满足：1.2＜AT01＜1.5；屏幕的厚度CT0与屏幕与第一透镜之间的空气间隙AT01满足：0.9＜CT0/AT01＜1.1。满足上述条件式，在保证指纹识别电子设备具有较小尺寸和光学镜头具有合适安装空间的同时，可以保证光学镜头的相对照度，提高光学镜头的成像质量。

在一些实施方式中，各透镜的物侧面或像侧面中至少一个为非球面，即第一透镜的物侧面至第三透镜的像侧面中至少一个为非球面。非球面透镜的特点是：从透镜中心到透镜周边，曲率是连续变化的，与从透镜中心到透镜周边具有恒定曲率的球面透镜不同，非球面透镜具有更佳的曲率半径特性，具有改善歪曲像差及改善像散像差的优点。采用非球面透镜后，能够尽可能地消除在成像的时候出现的像差，从而改善成像质量。优选地，第一透镜、第二透镜和第三透镜均采用塑胶非球面镜片。本申请通过合理分配各个透镜的光焦度及优化非球面形状，可以实现大视场角、小畸变、小体积的特点。

下面分多个实施例对本发明进行进一步的说明。在各个实施例中，光学镜头中的各个透镜的厚度、曲率半径、材料选择部分有所不同，具体不同可参见各实施例的参数表。下述实施例仅为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式并不仅仅受下述实施例的限制，其他的任何未背离本发明创新点所作的改变、替代、组合或简化，都应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

在本发明各个实施例中，当透镜采用非球面透镜时，非球面透镜的表面形状均满足下列方程：

；

其中，z为非球面沿光轴方向在高度为h的位置时，距离非球面顶点的距离矢高，c为表面的近轴曲率，k为二次曲面系数，A_2i为第2i阶的非球面面型系数。

第一实施例

请参阅图1，所示为本发明第一实施例提供的光学镜头100的结构示意图，该光学镜头100沿光轴从物侧到成像面S11依次包括：第一透镜L1、光阑ST、第二透镜L2、第三透镜L3以及滤光片G2。在此需要说明的是，为便于描述光学镜头100的应用场景，在图1中示意出屏幕G1。

具体的，屏幕G1采用平板玻璃，其物侧面S1、像侧面S2均为平面；第一透镜L1为具有负光焦度的塑胶非球面透镜；第一透镜的物侧面S3在近光轴处为凹面，第一透镜的像侧面S4为凹面；第二透镜L2为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，第二透镜的物侧面S5为凸面，第二透镜的像侧面S6在近光轴处为凹面；第三透镜L3为具有正光焦度的塑胶非球面透镜，第三透镜的物侧面S7为凸面，第三透镜的像侧面S8在近光轴处为凸面；滤光片G2的物侧面S9、像侧面S10均为平面。

本实施例提供的光学镜头100（包括屏幕G1）的各透镜的相关参数如表1所示。

表1

本实施例中的光学镜头100的各非球面面型系数如表2所示。

表2

在本实施例中，光学镜头100的场曲、光学畸变和轴向像差的曲线图分别如图2、图3和图4所示。

图2中场曲曲线表示子午方向和弧矢方向在像面不同像高的场曲，图中横坐标表示偏移量（单位：mm），纵坐标表示半物高（单位：mm）。从图2中可以看出，子午方向和弧矢方向在像面的场曲偏移量都控制在±0.4mm以内，说明光学镜头100的场曲矫正良好。

图3中光学畸变曲线表示像面上不同像高对应的畸变，图中横坐标表示畸变大小（单位：%），纵坐标表示半物高（单位：mm）。从图3中可以看出，在全视场内，光学镜头的畸变控制在±1.3%以内，说明光学镜头100的畸变被很好的矫正。

图4中轴向像差曲线表示成像面处光轴上的像差，图中横坐标表示偏移量（单位：mm），纵坐标表示归一化光瞳半径。从图4中可以看出，零光瞳位置中心波长的色差偏移量控制在±0.06mm以内，最短波长与最大波长轴向像差控制在±0.03mm以内，说明光学镜头100的轴向像差矫正良好。

第二实施例

请参阅图5，所示为本发明第二实施例提供的光学镜头200（包括屏幕G1）的结构示意图，本实施例中的光学镜头200与第一实施例中的光学镜头100的结构大抵相同，不同之处主要在于：各透镜面型的曲率半径、非球面系数、厚度有所差异。

具体地，本实施例提供的光学镜头200（包括屏幕G1）的各透镜的相关参数如表3所示。

表3

本实施例中的光学镜头200的各非球面面型系数如表4所示。

表4

请参照图6、图7、图8，所示分别为光学镜头200的场曲、光学畸变和轴向像差的曲线图。从图6中可以看出场曲控制在±0.5mm以内，说明光学镜头200的场曲矫正较好。从图7中可以看出光学畸变控制在±5.0%以内，说明光学镜头200的畸变得到良好的矫正。从图8中可以看出零光瞳位置主波长的色差偏移量控制在±0.09mm以内，最短波长与最大波长轴向像差控制在±0.03mm以内，说明光学镜头200的轴向像差得到良好的矫正。从图6至图8可以看出光学镜头200的像差得到较好平衡，具有良好的光学成像质量。

第三实施例

请参阅图9，所示为本发明第三实施例提供的光学镜头300（包括屏幕G1）的结构示意图，本实施例中的光学镜头300与第一实施例中的光学镜头100的结构大抵相同，不同之处主要在于：各透镜面型的曲率半径、非球面系数、厚度有所差异。

具体地，本实施例提供的光学镜头300（包括屏幕G1）的各透镜的相关参数如表5所示。

表5

本实施例中的光学镜头300的各非球面面型系数如表6所示。

表6

请参照图10、图11、图12，所示分别为光学镜头300的场曲、光学畸变和轴向像差的曲线图。从图10中可以看出场曲控制在±0.5mm以内，说明光学镜头300的场曲矫正较好。从图11中可以看出光学畸变控制在±1.4%以内，说明光学镜头300的畸变得到良好的矫正。从图12中可以看出零光瞳位置主波长的色差偏移量控制在±0.06mm以内，最短波长与最大波长轴向像差控制在±0.03mm以内，说明光学镜头300的轴向像差得到良好的矫正。从图10至图12可以看出光学镜头300的像差得到较好平衡，具有良好的光学成像质量。

请参阅表7，所示为上述三个实施例中提供的光学镜头分别对应的光学特性，包括光学镜头的光学总长TTL、有效焦距f、最大半视场角FOV、半物高OH、半像高IH、光圈值Fno，以及与前述的每个条件式对应的相关数值。

表7

从以上各个实施例的光学畸变曲线图、场曲曲线图以及轴向像差曲线图可以看出，各实施例中光学镜头的畸变值均在±5%以内、场曲值均在±0.5mm以内、轴向像差均在±0.1mm以内，说明光学镜头的像差得到较好平衡，具有良好的光学成像质量。

综上所述，本发明提供的光学镜头、光学指纹模组和电子设备，其中光学镜头采用三片具有光焦度的镜片，通过特定的表面形状搭配和合理的光焦度分配，使该光学镜头的结构更加紧凑的同时拥有大视场角、小畸变、小体积的特点，能够更好的应用于光学指纹模组及指纹识别电子设备，满足便携式电子产品的发展趋势。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光学镜头，共三片透镜，其特征在于，沿光轴从物侧到成像面依次包括：

具有负光焦度的第一透镜，所述第一透镜的物侧面在近光轴处为凹面，所述第一透镜的像侧面为凹面；

光阑；

具有正光焦度的第二透镜，所述第二透镜的物侧面为凸面，所述第二透镜的像侧面在近光轴处为凹面；

具有正光焦度的第三透镜，所述第三透镜的物侧面为凸面，所述第三透镜的像侧面在近光轴处为凸面；

其中，所述第二透镜的有效焦距f2、所述第三透镜的有效焦距f3与所述光学镜头的有效焦距f满足：450＜(f2+f3)/f＜550。

2.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头最大半视场角对应的像高IH与所述光学镜头最大半像高对应的物高OH满足：6.0＜OH/IH＜6.3。

3.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述光学镜头最大半视场角对应的像高IH与所述光学镜头的有效焦距f满足：1.7＜IH/f＜1.85。

4.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的有效焦距f1与所述第三透镜的有效焦距f3满足：-1.5＜f1/f3＜-0.5；-0.2＜f1+f3＜0。

5.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的有效焦距f1与所述光学镜头的有效焦距f满足：-1.5＜f1/f＜-0.5；所述第一透镜的物侧面的曲率半径R1与所述第一透镜的像侧面的曲率半径R2满足：0.5＜(R1+R2)/(R1-R2)＜1.5。

6.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第二透镜的有效焦距f2与所述光学镜头的有效焦距f满足：450＜f2/f＜550。

7.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度CT1、所述第二透镜的中心厚度CT2、所述第三透镜的中心厚度CT3与所述光学镜头的有效焦距f满足：2.7＜(CT1+CT2+CT3)/f＜3.2。

8.根据权利要求1所述的光学镜头，其特征在于，所述第一透镜的中心厚度CT1与所述第一透镜和所述第二透镜之间在光轴上的空气间隙CT12满足：1.8＜CT1/CT12＜3.2。

9.一种光学指纹模组，其特征在于，包括图像传感器以及如权利要求1-8任一项所述的光学镜头，所述图像传感器位于所述光学镜头的成像面处。

10.一种电子设备，其特征在于，包括屏幕以及如权利要求9所述的光学指纹模组，所述屏幕位于所述光学指纹模组的光学镜头的物侧。